无晶体管存储器技术

来源：中科院微电子研究所

来源：创芯老字号

世界上生产的绝大多数晶体管都被用于存储单元，既可以用作闪存、SRAM，也可以用DRAM。然而，并不是每个存储器单元中都要有晶体管。2015年，首个基于无晶体管内存单元的主要产品3D XPoint发布。Crossbar也在同年披露了自己的无晶体管存储单元的细节。

是什么让晶体管替代具有吸引力？

这些发展背后的驱动力是内存单元面积的减少。存储器元件可以直接堆叠在一个 "选择器 "之上，该选择器根据单元上施加的电压来传递或阻止电流。选择器本身比晶体管小，因为它只是电极之间堆叠的一层。没有晶体管也消除了直接在硅基板上构建存储阵列的限制，使多层叠加形成3D存储阵列成为可能。此外，通常围绕着存储器阵列的电路现在可以放在阵列的下方，进一步节省芯片面积。

阈值的开关（threshold switching）的简要说明

阈值开关以多种形式出现已经有一段时间了，但在1968年斯坦福·奥夫希斯基发表了他对无序半导体中开关行为的观察后得到了特别的关注。特别是，相变存储器包括非晶态硫系化合物的使用，它们表现出以下有趣的行为:

（1）非晶硫族化物直到达到足够高的电压  （达到阈值电压（Vth）为止）都保持很高的电阻  ；

（2）达到阈值电压时，材料进入极导电（“ ON”）状态，并且降低了材料两端的电压；

（3）材料保持导电状态，直到其两端的电压降低到  保持电压  （Vh）以下，该电压是维持最小保持电流 （Ih）所需的电压  。此时，它返回到初始高电阻（“ OFF”）状态。

这种行为可以用下面的I-V曲线来表示:

已经发现有多种材料可以实现阈值开关。此外，许多机制也被发现与这种开关一致。

金属-绝缘体转换

电热效应

化学（离子）物种的运动

小极化子的消失

无论涉及何种机制，阈值开关的特殊特性，特别是“回跳”的发生，即达到Vth后电压的突然降低，都会对阈值开关的使用产生重要影响。

阈值开关只能用于基于特定电阻的存储器阈值开关涉及在相隔几个数量级的电流之间进行切换。结果，  与阈值开关串联连接的任何存储元件也必须能够传导相当大的电流。这排除了使用绝缘体的普通电荷存储存储器，例如DRAM或Flash。相变存储器是阈值开关的更常见使用。

阈值开考虑到电流要求由于导通状态下的电流浪涌可能非常剧烈，因此必须将与阈值开关串联的限流元件以使电流保持在规格范围内。这可以是固定电阻，也可以是有源器件，例如二极管或晶体管。此操作的细节非常微妙。最初，单元上的电压全部处于关闭状态的阈值开关上。一旦接通，开关上的电压就会降低，因此电压平衡必须落在限流元件上。限流元件的IV确定流过多少电流。 

图2.阈值开关单元需要一个限流元件，例如电阻器，以限制电流达到破坏性水平。

读取电流必须超过保持电流为了保持导通状态，阈值开关必须继续通过大于保持电流Ih的电流。当读取电阻式存储元件时，阈值开关需要为ON，因此会有最小的读取电流。

最小读取电流还对在存储元件受到干扰（即从一种电阻状态意外改变为另一种电阻状态）之前可以读取该单元多少次设置了限制。稍后将再次讨论。

阈值开关的启动

一些阈值开关需要一个启动步骤。同样，阈值电压从其初始值下降，最终可以恢复到初始值。这里主要关注的是它是否下降得足够多，以至于半选择单元电压实际上可以打开阈值开关。

电压裕度可能会很严格

由于阈值开关存储器单元将排列在一个交叉点阵列中，因此工作电压将被相应地设计。图3显示了最常用的半选择方案，其中与选定单元相同的行或列中的未选定单元必须接收选定单元所接收电压的一半。

图3.交叉点阵列偏置方案，通过使用阈值开关存储单元实现。左：半选择方案。右：第三选方案。圆圈表示选定的单元格。

在这种情况下，最大单元工作电压是阈值电压Vth的两倍。对于第三选择方案，未选中的单元都将在选中单元上接收+/- 1/3的电压。因此，最大工作电压为阈值电压Vth的3倍。注意，读取和写入单元的电压必须落入允许的范围内：（Vth，2Vth）用于半选择，（Vth，3Vth）用于第三选择。由于半选择方案中的读取电压将超过写入电压的一半，因此读干扰的可能性极高。即使对于第三选择方案，在大型阵列中，读取电压仍超过写入电压的1/3，仍然构成重大风险，因为读取电压实际上将接近写入电压的40％。为了减轻这种情况，读脉冲应该非常短，绝对比写脉冲短得多。 

基于阈值切换的内存成本

最终，一种特定的存储技术能否被广泛接受，取决于它的成本能否有效地降低。阈值开关提供了一个重要的起点，因为它们比晶体管占用的空间更小。此外，它们不存在通常的晶体管缩放问题，如掺杂引起的短通道效应和接触电阻依赖。一个更大的优点是大电流密度（> 10 MA / cm²）。。

1X nm DRAM的单元大小为0.0026 um²，而3D XPoint内存的单元大小为0.00176 um²，这表明阈值切换单元已经具有单元尺寸优势。未来0.02 um x 0.02 um的单元密度相当于100层0.2 um x 0.2 um的3D NAND单元电池，这是目前最先进的单元密度。一个更大的0.04 um x 0.04 um的单元需要4层堆叠才能达到同样的密度。因此，将阈值开关缩放至10 nm将极大地推动其成为主流。，如上所述，还需要准备连接到阈值开关的基于电阻的存储元件。因此，用阈值开关取代存储器单元中的晶体管，需要广泛接受基于电阻的存储器作为电荷型存储器的替代品。